于佳偉，蔣東霖，裴起超，肖 迪

（長春師范大學(xué)工程學(xué)院，吉林 長春 130032）

0 引言

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，我國水果的種植面積和產(chǎn)量成為世界第一大國，同時，市面上開始涌現(xiàn)各類的水果采摘機(jī)，使得水果采摘既方便又迅速，而目前，因榴蓮所處的地域環(huán)境復(fù)雜，且果實所處高度較高，因此只能采取人工的方式進(jìn)行采摘，采摘者存在安全隱患且過程耗時費(fèi)力的問題[1]，而目前市面上存在的采摘榴蓮的機(jī)器相對較少且無法徹底解決安全等問題，對此設(shè)計并研發(fā)了新型榴蓮采摘機(jī)，此采摘機(jī)針對安全、便利、提高效率等問題做出有效處理。本文主要對榴蓮采摘機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。

1 榴蓮采摘機(jī)的整體設(shè)計

榴蓮采摘機(jī)可以完成對榴蓮是否可以采摘進(jìn)行判斷、抓取、采摘，運(yùn)輸和收集等工作。車體采用與貨車相仿的結(jié)構(gòu)，從而使得整個機(jī)器重心平穩(wěn)，在工作過程中可以避免因重心不穩(wěn)發(fā)生側(cè)翻。如圖1 所示，榴蓮采摘機(jī)由傳送系統(tǒng)、伸縮系統(tǒng)、采摘系統(tǒng)等組成[2]，伸縮系統(tǒng)分別與傳送系統(tǒng)和采摘系統(tǒng)相連，采摘者通過機(jī)械爪前端的攝像裝置，將所錄到的畫面?zhèn)鬏數(shù)浇K端，采摘者對榴蓮是否可以采摘進(jìn)行判斷，并對機(jī)器進(jìn)行操作控制，通過控制伸縮系統(tǒng)將采摘系統(tǒng)運(yùn)送至相應(yīng)高度位置，通過控制六軸機(jī)械臂，將機(jī)械爪傳送到相應(yīng)位置，通過控制爪手，調(diào)整方位，對榴蓮進(jìn)行抓取采摘，接著，機(jī)械爪將榴蓮放置傳送系統(tǒng)中，通過傳送系統(tǒng)將榴蓮放置收集系統(tǒng)，完成榴蓮采摘，系統(tǒng)可同時進(jìn)行工作，既提高了榴蓮采摘效率，同時也降低了人工采摘危險系數(shù)，能夠最大程度上的保持榴蓮果實的完好。

為了滿足以上工作要求，設(shè)計了此榴蓮采摘機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)，整體如圖1 所示

2 榴蓮采摘機(jī)主要組成部分結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 伸縮系統(tǒng)設(shè)計

伸縮系統(tǒng)如圖2 所示，為一個三節(jié)伸縮桿，電動伸縮桿主要由驅(qū)動電機(jī)、減速齒輪、螺桿、螺母、導(dǎo)套、推桿、滑座、彈簧、外殼及渦輪、微動控制開關(guān)等組成。電動伸縮桿作為執(zhí)行機(jī)械使用，用以實現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制、集中控制或自動控制的有效裝置，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種簡單或復(fù)雜的工藝流程中。

圖2 伸縮系統(tǒng)

2.1.1 工作原理

電動機(jī)經(jīng)齒輪減速后，帶動一對絲桿螺母。把電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變成直線運(yùn)動，利用電動機(jī)正反轉(zhuǎn)即可完成推桿的伸縮動作。另外，通過各種杠桿、搖桿或連桿等機(jī)構(gòu)可完成轉(zhuǎn)動、搖動等復(fù)雜動作。通過改變杠桿力臂的長度，可以增大行程。

2.1.2 行程控制裝置

1）蝸輪蝸桿傳動形式。電機(jī)齒輪上的蝸桿帶動蝸輪轉(zhuǎn)動，使蝸輪內(nèi)的小絲桿作軸向移動，由連接板帶動限位桿進(jìn)行軸向移動，從而推動閘門上下移動。蝸桿傳動具有自鎖性，可使閘門停在任意高度上，而不會因自重落下。當(dāng)所需行程時，通過調(diào)節(jié)限位塊下壓行程開關(guān)進(jìn)行斷電，電動機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)（正反控制相同）。

2）齒輪傳動形式。電機(jī)通過減速齒輪后帶動安裝于內(nèi)管的小絲桿，從而帶動與之連接一起的螺母做軸向運(yùn)行。當(dāng)達(dá)到所設(shè)定的行程時，螺母觸角壓住限位開關(guān)斷開電源，電機(jī)停止運(yùn)動（反向與之相同）。

3）電動伸縮桿是一種新型的電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可以使伸縮桿在一定范圍行程內(nèi)作往返運(yùn)動。一般電動伸縮桿標(biāo)準(zhǔn)行程有1 m、1.5 m、2 m、2.5 m、3 m、3.5 m 以及4 m，根據(jù)榴蓮樹高的范圍進(jìn)行具體選舉。可以根據(jù)不同的應(yīng)用負(fù)荷而設(shè)計不同推力的電動伸縮桿，一般其最大推力可達(dá)6000N，空載運(yùn)行速度為4～35mm/s，電動伸縮桿以24 V/12 V 直流永磁電機(jī)作為動力源，把電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動通過絲杠轉(zhuǎn)化為直線往復(fù)運(yùn)動。本采摘機(jī)伸縮桿選用的標(biāo)準(zhǔn)行程為4 m，控制采摘系統(tǒng)到達(dá)合適高度，方便采摘，可以避免因榴蓮高度而導(dǎo)致的采摘困難等問題。

2.2 采摘系統(tǒng)設(shè)計

采摘系統(tǒng)如圖3 所示，主要由機(jī)械臂、機(jī)械手、和剪切機(jī)構(gòu)所組成，剪切機(jī)構(gòu)處包含信息收集模塊，采摘系統(tǒng)主要對榴蓮是否成熟進(jìn)行判斷并且對榴蓮進(jìn)行采摘。信息收集模塊的功能是剪切機(jī)構(gòu)處的視覺傳感器對周圍榴蓮的情況進(jìn)行收集，然后通過傳輸至終端的畫面進(jìn)行判斷，將信息傳送至采摘者。在該系統(tǒng)中，通過畫面?zhèn)魉椭两K端的畫面對榴蓮成熟度的信息收集和判斷，確定要采摘的榴蓮，通過六軸機(jī)械臂轉(zhuǎn)動調(diào)整整個采摘系統(tǒng)至榴蓮的位置，隨即機(jī)械爪抓住榴蓮，同時，剪切系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)作，將榴蓮梗剪斷，此時榴蓮采摘完畢。為了確保榴蓮能夠順利被抓住和剪切，對機(jī)械手進(jìn)行了夾持型設(shè)計，同時采用單片機(jī)控制，增加其可靠性。為了能夠?qū)α裆彽某墒於燃凹羟形恢每刂频卯?dāng)，采用視覺傳感器進(jìn)行輔佐，視覺傳感器主要由攝像頭、紅外傳感器、距離傳感器組成，通過攝像頭收集榴蓮所處環(huán)境，為采摘系統(tǒng)進(jìn)行工作，提供了信息基礎(chǔ)，可以盡量避免由于榴蓮樹枝錯亂而導(dǎo)致榴蓮采摘不順利，機(jī)器損壞等問題，同時，通過距離傳感器與紅外傳感器相配合，可以使剪切系統(tǒng)更準(zhǔn)確的對榴蓮梗剪切。

圖3 榴蓮采摘機(jī)的采摘系統(tǒng)

2.2.1 機(jī)械臂

機(jī)械臂的力學(xué)設(shè)計模仿了人的手臂動作，通過設(shè)定某種程序，實現(xiàn)搬運(yùn)、抓取等一系列的操作，實現(xiàn)勞動的機(jī)械化與自動化。也就是最早出現(xiàn)的現(xiàn)代化機(jī)器人，取代了人力勞動，實現(xiàn)繁重勞動的機(jī)械化與自動化，能在危險的環(huán)境中，使用機(jī)械進(jìn)行工作，進(jìn)而有效保障工人的人身安全，其普遍應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工業(yè)以及原子能等部門。機(jī)械臂通常有幾個自由度，用來抓取物體，因此對工業(yè)機(jī)械臂的理解可以是模擬人的手臂、手腕以及手功能的機(jī)械電子裝置，可以將任一物件以及工具按照空間的位置進(jìn)行移動，進(jìn)而實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)作業(yè)的要求。六軸機(jī)械臂是一種新型機(jī)械裝置，可完成不同任務(wù)和復(fù)雜運(yùn)動。機(jī)械臂如圖4 所示通過建模設(shè)計分析。采用六自由度機(jī)械手臂，其組成包括六軸機(jī)構(gòu)[3]。因采摘環(huán)境復(fù)雜，所以對機(jī)械臂的柔性要求較高，因此采用動力學(xué)建模分析。六軸機(jī)械臂主要由六軸組成，一軸是用于連接底座，承載較大，主要用于整個采摘及系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)等運(yùn)作方式；二、三軸的主要作用是前后擺動，同時也是機(jī)械臂的重要位置；四軸主要起自由回轉(zhuǎn)的作用，其結(jié)構(gòu)也相對簡單；五軸，六軸主要起微調(diào)作用，且六軸可360°旋轉(zhuǎn)，在任何工作環(huán)境下都可以適應(yīng)所需工作。六軸機(jī)械臂與上文伸縮桿進(jìn)行鏈接，整個系統(tǒng)的靈活性可以使整個系統(tǒng)精確傳送至榴蓮所處位置，進(jìn)行工作。

圖4 機(jī)械臂的機(jī)械系統(tǒng)

2.2.2 關(guān)于機(jī)械臂的應(yīng)力分析

為了保證機(jī)械臂運(yùn)動的穩(wěn)定性，所選取的電機(jī)可以提供的扭矩遠(yuǎn)大于拿起榴蓮所需要的力量，故將除校核部分以外的機(jī)械臂看作墻壁，以簡化校核過程。以下對校核過程進(jìn)行說明。

借由截面法對比結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行分析，得到此結(jié)構(gòu)的剪力圖和彎矩圖，如圖5 所示由剪應(yīng)力與彎矩圖可知，危險點(diǎn)在機(jī)械臂的端面處，最大剪刀Ft=F，最大彎矩M=FL。

圖5 結(jié)構(gòu)的剪力圖與彎矩圖

式中：Ftmax為拿起榴蓮時產(chǎn)生的最大拉應(yīng)力；Mmax為榴蓮拿起過程中產(chǎn)生的最大彎矩；l 為機(jī)械臂長，l＝0.7 m；m 為榴蓮與機(jī)械臂的重量和，取10 kg；g 取10 N/kg。

由式（1）、式（2）可得最大切應(yīng)力，最大拉應(yīng)力為Ft，max=200 N、Mmax=70 N·m。

為了簡化計算，將機(jī)械臂的截面形狀簡化為圓形，A、W 分別是此結(jié)構(gòu)的當(dāng)量面積和當(dāng)量抗彎模量。τmax為機(jī)械臂工作過程中產(chǎn)生的最大切應(yīng)力，F(xiàn)t為上式中的最大拉應(yīng)力，σmax為機(jī)械臂運(yùn)作工程中產(chǎn)生的最大正應(yīng)力，M 為上式中所求的Mmax；D 為簡化后截面圓的直徑取0.1 m。

通過計算得出τmax=0.025 MPa，σmax=0.714 MPa，W=0.000098 m3。

經(jīng)查得資料可知，Q235 的許用切應(yīng)力及其拉應(yīng)力為[τ]=110.6 MPa，[σ]=158 MPa。

經(jīng)過比較，結(jié)構(gòu)中的最大彎曲應(yīng)力和最大切應(yīng)力小于材料的許用應(yīng)力，經(jīng)校核，滿足強(qiáng)度要求，可選用Q235 作為機(jī)械臂的材料。

2.3 傳送系統(tǒng)設(shè)計

傳送系統(tǒng)如圖6 所示，主要有伸縮式皮帶傳送機(jī)組成，其工作原理與普通的皮帶傳送機(jī)相同，但是我們將傳送帶與伸縮桿相連，并且在其結(jié)構(gòu)上增加了儲存皮帶的裝置和收放皮帶的裝置，方便皮帶進(jìn)行伸長和收縮。伸縮桿與傳送帶可以同步進(jìn)行調(diào)節(jié)告知位置，方便在采摘系統(tǒng)結(jié)束后，機(jī)械爪可隨時將榴蓮放置于傳送裝置上。同時，皮帶所采用的材料為硅膠材質(zhì)，增加皮帶的粗糙度并且每隔一定距離設(shè)置擋板，防止在運(yùn)輸過程中榴蓮向下滾落速度太快，而導(dǎo)致?lián)p傷。

圖6 榴蓮采摘機(jī)傳送系統(tǒng)

3 伺服電機(jī)

伺服電機(jī)作為帶式輸送機(jī)傳動的動力裝置，預(yù)設(shè)傳送機(jī)卷筒直徑D=380 mm，有效拉力Fw=10000 N，滾筒的效率ηw=0.96，輸送帶速度vw=0.2 m/s。根據(jù)工作條件和要求，一般選用Y 系列三相異步電動機(jī)。

選擇電動機(jī)的容量。工作機(jī)所需的功率Pw為：

將相關(guān)參數(shù)代入式（6）得：Pw=2.08 kW。

電動機(jī)所需功率P0為式（7），從電動機(jī)至滾筒主動軸之間的傳動裝置的總效率η 為式（8）：

據(jù)查表得知η帶=0.95、η軸承=0.99、η齒輪=0.98、η聯(lián)軸器=0.99，將相關(guān)參數(shù)代入式（7）、式（8）得：η=0.868，P0=2.4 kW。

選取電動機(jī)額定功率Pn，使Pn=（1～1.3）P0，則Pn=3.1 kW。

確定電動機(jī)轉(zhuǎn)速。工作機(jī)卷筒軸的轉(zhuǎn)速nw為：

將相關(guān)參數(shù)代入式（9）得nw=10 r/min。

經(jīng)查資料，推薦的傳動比合理范圍，取v 帶傳動的傳動比i帶=2～4，單極圓柱齒輪傳動比i齒=3～6，總傳動比合理范圍i'=18～144，故電動機(jī)轉(zhuǎn)速nm=i'nw=（18～144）×10 r/min=180～1440 r/min。

表1 Y132M2-6 電動機(jī)主要性能及主要尺寸

符合這一轉(zhuǎn)速范圍的同步轉(zhuǎn)速有750 r/min、1000 r/min 兩種，通過考慮尺寸、結(jié)構(gòu)和減速器的傳動比等因素，因此選用電動機(jī)型號為Y132M2-6。

4 結(jié)語

本文主要介紹了一種榴蓮采摘機(jī)，其具有安全系數(shù)高，采摘效率快，操作方便等特點(diǎn)，并且能夠?qū)Σ烧h(huán)境進(jìn)行收集分析、從而高效、準(zhǔn)確的對榴蓮進(jìn)行采摘。榴蓮采摘機(jī)主要由三個系統(tǒng)所組成，通過視覺傳感器對周圍環(huán)境的觀察，對榴蓮成熟度信息的收集，并將信息傳送至果農(nóng)手中，接著由采摘系統(tǒng)進(jìn)行采摘，傳送系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)輸，從而完成榴蓮采摘一系列的運(yùn)作。對比于人工采摘來講，榴蓮采摘機(jī)雖成本高，但其大大避免了人工采摘時的安全隱患，且提高了榴蓮采摘的速度。但榴蓮采摘機(jī)在傳送系統(tǒng)的設(shè)計仍需完善，榴蓮在傳送系統(tǒng)中向下運(yùn)輸時也容易對果實造成損壞，在今后的研究中，需針對這一問題著重進(jìn)行研究并改進(jìn)。